C++ 編譯流程是將人類可讀的源代碼轉換為計算機可執行的二進制文件的過程。這個過程可以分為四個核心階段：預處理、編譯、匯編和鏈接。每個階段都有明確的任務，共同確保代碼正確轉換為可執行程序。
一、預處理（Preprocessing）
預處理是編譯的第一個階段，由預處理器（Preprocessor）執行。預處理器會分析源代碼中的預處理指令（以 # 開頭的命令），并對源代碼進行文本替換和文件包含操作。
主要任務：
- 文件包含（
#include）：將指定頭文件的內容插入到源文件中。// 示例：將 <iostream> 頭文件的內容插入此處 #include <iostream> - 宏替換（
#define）：將代碼中的宏標識符替換為對應文本。#define PI 3.14159 // 編譯前所有 PI 會被替換為 3.14159 - 條件編譯（
#ifdef,#ifndef,#endif）：根據條件選擇性地包含或排除代碼塊。#ifdef DEBUGstd::cout << "Debug mode: variable = " << variable << std::endl; #endif - 移除注釋：刪除源代碼中的所有注釋（
//或/* */）。
示例輸入/輸出：
- 輸入：
#define MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b)) int main() {int x = MAX(3, 5); // 預處理后替換為 ((3) > (5) ? (3) : (5))return 0; } - 輸出：預處理后的文件（通常以
.i為擴展名）包含展開后的代碼。
二、編譯（Compilation）
編譯階段將預處理后的代碼轉換為匯編代碼。這個過程由編譯器（如 g++、Clang）執行，主要進行語法分析、語義分析、代碼優化等操作。
主要任務：
- 詞法分析：將源代碼分解為詞法單元（Token），例如
int,main,(,)等。 - 語法分析：構建抽象語法樹（AST），驗證代碼是否符合 C++ 語法規則。
- 語義分析：檢查類型匹配、變量聲明等語義正確性。
- 代碼優化：對代碼進行優化（如常量折疊、循環展開），生成更高效的中間代碼。
- 生成匯編代碼：將優化后的中間代碼轉換為平臺相關的匯編語言。
示例輸入/輸出：
- 輸入：預處理后的代碼（
.i文件）。 - 輸出：匯編代碼文件（通常以
.s或.asm為擴展名）。; x86-64 匯編示例 .section .text .globl _main _main:pushq %rbpmovq %rsp, %rbpmovl $5, -4(%rbp) ; 將 5 存入局部變量 xmovl $0, %eaxpopq %rbpret
三、匯編（Assembly）
匯編階段將匯編代碼轉換為機器碼（二進制指令），生成目標文件（Object File）。這個過程由匯編器（如 as）執行。
主要任務：
- 將匯編指令逐行翻譯為機器碼。
- 為變量和函數分配內存地址。
- 生成符號表（Symbol Table），記錄變量和函數的地址。
示例輸入/輸出：
- 輸入：匯編代碼文件（
.s）。 - 輸出：目標文件（通常以
.o或.obj為擴展名），包含二進制機器碼和符號表。
四、鏈接（Linking）
鏈接階段將多個目標文件和庫文件合并為一個可執行文件。這個過程由鏈接器（如 ld）執行。
主要任務：
- 符號解析：解析不同目標文件中符號（如函數、全局變量）的引用，確保每個符號只對應一個定義。
- 地址重定位：調整代碼和數據的內存地址，使其在運行時能正確加載。
- 庫鏈接：將程序依賴的庫文件（靜態庫
.a或動態庫.so）鏈接到可執行文件中。- 靜態鏈接：將庫代碼直接復制到可執行文件中。
- 動態鏈接：在運行時加載庫文件，可執行文件只包含庫的引用。
示例輸入/輸出：
- 輸入：多個目標文件（
.o）和庫文件（如libstdc++.a）。 - 輸出：可執行文件（如
a.out或.exe）。
編譯流程示例
假設我們有兩個源文件 main.cpp 和 utils.cpp，編譯流程如下：
-
預處理：
g++ -E main.cpp -o main.i # 生成預處理后的 main.i g++ -E utils.cpp -o utils.i # 生成預處理后的 utils.i -
編譯：
g++ -S main.i -o main.s # 生成匯編代碼 main.s g++ -S utils.i -o utils.s # 生成匯編代碼 utils.s -
匯編：
as main.s -o main.o # 生成目標文件 main.o as utils.s -o utils.o # 生成目標文件 utils.o -
鏈接：
ld main.o utils.o -o program # 鏈接生成可執行文件 program # 或使用 g++ 自動鏈接標準庫 g++ main.o utils.o -o program
關鍵概念總結
- 頭文件（Header Files）：包含函數和類的聲明，通過
#include被預處理階段插入。 - 目標文件（Object Files）：編譯后的中間文件，包含二進制代碼但可能缺少外部符號定義。
- 庫文件（Libraries）：預編譯的代碼集合，分為靜態庫（
.a）和動態庫（.so/.dll）。 - 符號表（Symbol Table）：記錄變量和函數的名稱及地址，用于鏈接時解析引用。
